La meccanica quantistica esiste da oltre 120 anni. Dall'esperimento della doppia fenditura all'esperimento mentale del gatto di Schrödinger, è sempre stata considerata una delle leggi più misteriose e complesse della fisica.
Il fisico teorico americano Richard Feynman una volta disse: "Se pensi di aver capito la meccanica quantistica, non la hai capita".
Sebbene la meccanica quantistica possa sembrare lontana da noi, il suo sviluppo è rapido: nel 2016, la Cina ha lanciato con successo il satellite sperimentale di scienza quantistica “Micius”; nel 2022, il premio Nobel per la fisica è stato assegnato a tre scienziati per il loro contributo alla “scienza dell’informazione quantistica”.
Di recente, Google ha compiuto notevoli progressi anche nel campo della meccanica quantistica, definita un'innovazione "miliare".
Hartmut Neven, fondatore e responsabile del team Quantum AI di Google, ha annunciato in un post sul blog il lancio del suo ultimo chip quantistico "Willow", sostenendo che aprirà la strada ai computer quantistici su larga scala.
Nell'articolo, Neven ha affermato che questo chip "ha le prestazioni più avanzate in molti parametri" e "ha raggiunto due importanti risultati":
- In primo luogo, Willow ha aumentato il numero di “qubit” (105) e ha ridotto “significativamente” gli errori;
- In secondo luogo, Willow ha completato il suo ultimo “test di benchmark sul campionamento casuale del circuito (RCS)” in meno di 5 minuti.
Per comprendere queste conquiste rivoluzionarie, dobbiamo capire come funzionano i computer quantistici e i chip quantistici.
Un concetto fondamentale della meccanica quantistica è la "sovrapposizione", ovvero un sistema quantistico può esistere in più stati contemporaneamente. I computer quantistici sfruttano questa sovrapposizione per creare "bit quantistici (Qubit)", le unità fondamentali di calcolo nei computer quantistici.
A differenza dei bit binari nei computer classici, i qubit possono essere in una "sovrapposizione" di 0 e 1 allo stesso tempo. Questo stato consente ai computer quantistici di elaborare più percorsi o stati computazionali simultaneamente, rendendoli più veloci ed efficienti dei computer classici per risolvere determinati problemi complessi.
Inoltre, esiste una relazione speciale tra i qubit chiamata “entanglement quantistico”: quando i qubit sono entangled, lo stato di un qubit influenzerà immediatamente lo stato di un altro, indipendentemente dalla distanza tra loro.
Pertanto, conoscendo lo stato di un qubit, possiamo dedurre gli stati di altri qubit, consentendo il trasferimento di informazioni. Questa caratteristica rende i computer quantistici più efficaci nella condivisione e trasmissione di informazioni quando affrontano problemi complessi.
Tuttavia, lo stato dei qubit è molto fragile e facilmente disturbato da ambienti esterni (come temperatura, vibrazioni, interferenze elettromagnetiche), portando alla perdita di informazioni quantistiche, un fenomeno noto come "decoerenza quantistica". A causa dell'entanglement, gli errori possono propagarsi da un qubit agli altri, influenzando la capacità computazionale.
Inoltre, poiché i qubit tendono a scambiare rapidamente informazioni con il loro ambiente, è difficile proteggere le informazioni necessarie per completare i calcoli. In genere, più qubit utilizza un computer quantistico, più errori si verificano, rendendo più probabile che l'intero sistema torni a un "sistema classico".
Tuttavia, secondo Hartmut Neven, i ricercatori di Google hanno introdotto un nuovo metodo di "correzione degli errori quantistici" che consente al chip Willow di ridurre ulteriormente gli errori man mano che vengono utilizzati più qubit, con un tasso di errore che diminuisce esponenzialmente.
Hartmut Neven afferma che questo storico risultato nel campo è noto come "sotto soglia", il che significa ridurre gli errori aumentando il numero di qubit. Hartmut Neven sottolinea anche che da quando Peter Shor ha introdotto la correzione degli errori quantistici nel 1995, questo è stato un compito estremamente impegnativo.
Pertanto, "sotto la soglia" dimostra "un vero progresso nella correzione degli errori", e Willow è il primo sistema sotto la soglia, il che indica la possibilità di costruire computer quantistici ultra-grandi. Questo risultato di ricerca è stato pubblicato anche sulla rivista "Nature".
L'articolo menziona che Willow ha completato il Test di campionamento casuale del circuito (RCS), descritto come "il più difficile test di benchmark classico sui computer quantistici fino ad oggi", in soli 5 minuti. Hartmut Neven afferma che gli ultimi risultati di Willow sono "i migliori finora".
Al contrario, il supercomputer più veloce del mondo impiegherebbe 10^25 anni per completare l'RCS, un intervallo di tempo che supera l'età dell'universo (circa 13.8 miliardi di anni).
Il Random Circuit Sampling (RCS) è un metodo utilizzato per valutare le prestazioni dei computer quantistici. L'idea di base è quella di utilizzare un computer quantistico per eseguire operazioni di gate quantistici selezionate casualmente, generare stati quantistici casuali e quindi campionare e misurare tali stati quantistici.
RCS è stato proposto per la prima volta dal team di Hartmut Neven, che afferma che ora è il "standard universale nel campo. "
Vale la pena ricordare che nel 2019, Google ha affermato che il suo processore quantistico "Sycamore" poteva completare in tre minuti un calcolo che il supercomputer più veloce del mondo avrebbe impiegato diecimila anni per completare, sottolineando che il loro team di ricerca aveva raggiunto "supremazia quantistica. "
IBM ha contestato i risultati dei test di Sycamore e anche il termine "supremazia quantistica" ha suscitato notevoli polemiche, nonostante Google abbia insistito sul fatto che si trattasse semplicemente di un "termine artistico". Successivamente, Google ha cercato di evitare di utilizzare questo termine, affermando invece di aver raggiunto risultati "oltre l'informatica classica".
Inoltre, IBM e Honeywell usano generalmente il termine "volume quantistico" per descrivere e quantificare i loro dispositivi di calcolo quantistico nella loro ricerca sulla meccanica quantistica, un concetto che Google non usa affatto. La mancanza di uno standard unificato rende difficile confrontare prodotti concorrenti.
Hartmut Neven afferma che la tecnologia quantistica trova applicazione nella raccolta di dati di addestramento dell'intelligenza artificiale, nello sviluppo di nuovi veicoli energetici e nella scoperta di nuovi farmaci.
Hartmut Neven guarda anche con interesse al prossimo obiettivo della ricerca di Google sulla meccanica quantistica: completare un calcolo che sia sia "rilevante per i programmi pratici" sia "impossibile da realizzare per i computer classici", rendendolo davvero "utile" e "oltre i classici".
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